(57)【要約】【課題】処理効率の向上を図ることができる電気分解装置及び電気分解方法を提供する。【解決手段】電解水製造装置１は、アノード電極３ａが設けられ原水が導入されるアノード室３と、カソード電極５ａが設けられ原水が導入されるカソード室５と、アノード室３とカソード室５との間に挟まれ、イオン交換樹脂１７が格納される中間室７と、を備え、原水を電気分解する電気分解装置である。この装置１は、中間室７に格納されたイオン交換樹脂１７を、原水の電気分解中において連続的に交換するため、中間室７においてイオン交換樹脂１７を循環させる樹脂循環ラインＬ２７を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極が設けられ原水が導入されるアノード室と、
カソード電極が設けられ原水が導入されるカソード室と、
前記アノード室と前記カソード室との間に挟まれ、固体電解質からなる通電媒体が格納される中間室と、を備え、前記原水を電気分解する電気分解装置において、
前記中間室に格納された前記通電媒体を、前記原水の電気分解中において連続的に交換する媒体交換手段を備えたことを特徴とする電気分解装置。
【請求項２】
前記中間室には、前記通電媒体を導入する導入口と前記通電媒体を排出する排出口とが設けられており、
前記媒体交換手段は、
前記導入口と前記排出口とに連結され前記排出口からの前記通電媒体を前記導入口へ流動させる媒体循環ラインを有し、前記中間室に前記通電媒体を循環させることを特徴とする請求項１に記載の電気分解装置。
【請求項３】
前記媒体交換手段は、
前記媒体循環ライン上に設けられ、当該媒体循環ラインを流動する前記通電媒体のうち、劣化した前記通電媒体を除去する除去手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の電気分解装置。
【請求項４】
前記通電媒体は、粒状であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電気分解装置。
【請求項５】
アノード電極が設けられたアノード室とカソード電極が設けられたカソード室とに挟まれた中間室に固体電解質からなる通電媒体を格納し、前記アノード室及び前記カソード室に導入した原水を電気分解する電気分解方法において、
前記中間室に格納された前記通電媒体を、前記原水の電気分解中において連続的に交換する媒体交換工程を備えたことを特徴とする電気分解方法。
【請求項６】
前記媒体交換工程では、
前記中間室に設けられた排出口から前記通電媒体を連続的に排出し、排出した前記通電媒体を流動させて前記中間室に設けられた導入口から再び導入することを特徴とする請求項５に記載の電気分解方法。
【請求項７】
前記媒体交換工程は、
流動する前記通電媒体のうち、劣化した前記通電媒体を除去する除去工程を備えたことを特徴とする請求項６に記載の電気分解方法。
【請求項８】
前記通電媒体は、粒状であることを特徴とする請求項５〜７の何れか１項に記載の電気分解方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質からなる通電媒体を用いて原水を電気分解する電気分解装置及び電気分解方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の電解水製造装置が知られている。この電解水製造装置装置は、アノード室、カソード室、及び中間室を備えた三槽式の装置である。この装置では、中間室に固体電解質が充填されており、この固体電解質を通電媒体として、アノード室及びカソード室に導入した原水を電気分解することで、洗浄用等に用いられる電解水が生成される。この固体電解質は、アノード電極とカソード電極との間の通電に介在するのみであり、通電中において固体電解質自体は化学的な変化をしない。
【特許文献１】特開平８−１２７８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この固体電解質は、継続的な使用による破損等によって劣化し、通電媒体としての機能が低下する場合がある。このため、正常な通電媒体を電気分解処理に関与させて良好な処理を行うためには、定期的に装置の運転を停止し、中間室内の固体電解質を交換する等のメンテナンスが必要である。従って、この装置においては、固体電解質のメンテナンスが、電気分解処理の効率の向上の妨げとなっていた。
【０００４】
本発明は、処理効率の向上を図ることができる電気分解装置及び電気分解方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る電気分解装置は、アノード電極が設けられ原水が導入されるアノード室と、カソード電極が設けられ原水が導入されるカソード室と、アノード室とカソード室との間に挟まれ、固体電解質からなる通電媒体が格納される中間室と、を備え、原水を電気分解する電気分解装置において、中間室に格納された通電媒体を、原水の電気分解中において連続的に交換する媒体交換手段を備えたことを特徴とする。
【０００６】
この電気分解装置においては、中間室に格納された通電媒体が、媒体交換手段により、電気分解中において連続的に交換されるので、電気分解に関与する通電媒体が電気分解中に常に入れ替わることになる。従って、通電媒体の交換のために装置を停止させる必要がなく、処理効率の向上を図ることができる。
【０００７】
また、中間室には、通電媒体を導入する導入口と通電媒体を排出する排出口とが設けられており、媒体交換手段は、導入口と排出口とに連結され排出口からの通電媒体を導入口へ流動させる媒体循環ラインを有し、中間室に通電媒体を循環させることが好ましい。
【０００８】
この場合、中間室に格納された通電媒体は、排出口を通じて中間室から排出され、媒体循環ラインを通じて、導入口から再び中間室へ導入される。従って、電気分解に関与する中間室内の通電媒体が常に交換されながら、通電媒体が繰り返し有効利用される。
【０００９】
また、媒体交換手段は、媒体循環ライン上に設けられ、当該媒体循環ラインを流動する通電媒体のうち、劣化した通電媒体を除去する除去手段を備えることが好ましい。この場合、劣化した通電媒体が、除去手段によって、媒体循環ラインから除去されるので、劣化した通電媒体が再び中間室に導入されることが抑制される。従って、電気分解に関与する中間室内の通電媒体を、常に正常なものとすることができ、良好な電気分解を行うことができる。
【００１０】
また、通電媒体は、粒状であることが好ましい。この場合、通電媒体が中間室及び媒体循環ラインを流動し易いので、中間室における円滑な通電媒体の交換が行われる。
【００１１】
本発明の電気分解方法は、アノード電極が設けられたアノード室とカソード電極が設けられたカソード室とに挟まれた中間室に固体電解質からなる通電媒体を格納し、アノード室及びカソード室に導入した原水を電気分解する電気分解方法において、中間室に格納された通電媒体を、原水の電気分解中において連続的に交換する媒体交換工程を備えたことを特徴とする。
【００１２】
この電気分解方法においては、中間室に格納された通電媒体が、媒体交換工程において、電気分解中に連続的に交換されるので、電気分解に関与する通電媒体が電気分解中に常に入れ替わることになる。従って、通電媒体の交換のために電気分解処理を停止させる必要がなく、処理効率の向上を図ることができる。
【００１３】
また、媒体交換工程では、中間室に設けられた排出口から通電媒体を連続的に排出し、排出した通電媒体を流動させて中間室に設けられた導入口から再び導入することが好ましい。
【００１４】
この場合、中間室に格納された通電媒体は、排出口を通じて中間室から排出され、媒体循環ラインを通じて、導入口から再び中間室へ導入される。従って、電気分解に関与する中間室内の通電媒体が常に交換されながら、通電媒体が繰り返し有効利用される。
【００１５】
また、媒体交換工程は、流動する通電媒体のうち、劣化した通電媒体を除去する除去工程を備えることが好ましい。この場合、劣化した通電媒体が、除去工程によって除去されるので、劣化した通電媒体が再び中間室に導入されることが抑制される。従って、電気分解に関与する中間室内の通電媒体を、常に正常なものとすることができ、良好な電気分解を行うことができる。
【００１６】
また、通電媒体は、粒状であることが好ましい。この場合、通電媒体が中間室を流動し易いので、中間室における円滑な通電媒体の交換が行われる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の電気分解装置及び電気分解方法によれば、処理効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る電気分解装置、電解水製造装置、及び電解水製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１９】
図１に示すように、電解水製造装置１は、いわゆる三槽式の電解層２を備えており、ラインＬ１から導入された超純水を電解層２で電気分解してアノード電解水及びカソード電解水を得る装置である。
【００２０】
この装置１の電解層（電解水生成部）２は、アノード電極３ａが設けられたアノード室３と、カソード電極５ａが設けられたカソード室５と、アノード室３とカソード室５とに挟まれて設けられた中間室７と、の３室を備えている。アノード室３と中間室７とは、微細孔を有する隔壁１３によって仕切られており、同様に、中間室７とカソード室５とは、微細孔を有する隔壁１５によって仕切られている。この隔壁１５の微細孔を通じて、アノード電極３ａとカソード電極５ａとが、電気的に接続される。
【００２１】
中間室７には、固体電解質である粒状のイオン交換樹脂１７が、水と混合された状態で充填されており、このイオン交換樹脂１７は、アノード電極３ａとカソード電極５ａとの間に電流を流すための通電媒体として機能する。このイオン交換樹脂は、アノード電極３ａとカソード電極５ａとの間の電子の通電に介在するのみであり、通電中においてイオン交換樹脂自体は化学的な変化をしない。このようなイオン交換樹脂としては、例えば、フッ素樹脂母体のイオン交換樹脂が適しており、特にフッ素樹脂母体に−ＳＯ３基を導入した強酸性カチオン交換樹脂を用いることが好ましい。更に具体的には、デュポン社製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）−ＮＲ５０を好適に用いることが出来る。このようなイオン交換樹脂を中間室７に充填することにより、原水が電解質を含まない場合にもアノード電極３ａとカソード電極５ａとの間に電流が流れるので、補助電解質を添加せずに超純水の電気分解を行うことができる。
【００２２】
この電解槽２のアノード室３の上流側には、ラインＬ１から分岐したラインＬ３が接続されており、このラインＬ３からの超純水がアノード室３内に供給される。同様に、カソード室５の上流側には、ラインＬ１から分岐したラインＬ５が接続されており、このラインＬ５からの超純水がカソード室５内に供給される。また、アノード室３の下流側には、ラインＬ１３が接続されており、アノード室３で生成したアノード電解水が排出される。同様に、カソード室５の下流側には、ラインＬ１５が接続されており、カソード室５で生成したカソード電解水が排出される。
【００２３】
このような装置１において、ラインＬ３を通じて超純水がアノード室３に供給されると、アノード電極３ａ近傍では下式（１）及び（２）の反応が起こる。
２Ｈ２Ｏ→４Ｈ＋＋Ｏ２↑＋４ｅ−    …（１）
３Ｈ２Ｏ→６Ｈ＋＋Ｏ３↑＋６ｅ−    …（２）
すなわち、導入された超純水の水分子Ｈ２Ｏが、アノード電極３ａに電子を付与して、水素イオンＨ＋、気体の酸素Ｏ２、及び気体のオゾンＯ３を発生させる。発生した気体の酸素Ｏ２及びオゾンＯ３の一部は水に溶解するので、ラインＬ１３からは、水素イオンＨ＋を含み、酸素とオゾンとが溶解した水が、アノード電解水として排出される。また、アノード電解水に溶解しなかった酸素及びオゾンは、気体としてアノード電解水に含まれたままアノード室３から排出されるが、ラインＬ１３上に設けられたガスフィルタＦ１３を通過する際にアノード電解水から除去される。
【００２４】
一方、ラインＬ５を通じて超純水がカソード室５に供給されると、カソード電極５ａ近傍では下式（３）の反応が起こる。
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→２ＯＨ−＋Ｈ２↑    …（３）
すなわち、導入された超純水の水分子Ｈ２Ｏが、カソード電極５ａから電子を受け取り、水酸化イオンＯＨ−、及び気体の水素Ｈ２を発生させる。発生した気体の水素Ｈ２の一部は水に溶解するので、ラインＬ１５からは、水酸化イオンＯＨ−を含み、水素が溶解した水が、カソード電解水として排出される。また、カソード電解水に溶解しなかった水素は、気体としてカソード電解水に含まれたままカソード室５から排出されるが、ラインＬ１５上に設けられたガスフィルタＦ１５を通過する際にカソード電解水から除去される。
【００２５】
このような装置１により、補助電解質を添加することなく、超純水を原水とした電気分解が行われるので、清浄度が高い電解水が得られる。しかしながら、この洗浄水は、塩素イオン等を含む電解水に比較して酸化還元電位の絶対値が低いので、洗浄力が十分でない場合がある。従って、このような電解水においては、出来るだけ酸化還元電位の絶対値を向上するため、アノード電解水にはアノード室３で発生する酸素及びオゾンを、カソード電解水にはカソード室５で発生する水素を、出来るだけ多く溶解させることが好ましい。
【００２６】
このため、電解水製造装置１の電解槽２は、アノード室３の下流側とラインＬ３とを連結するアノード水返送ラインＬ２３を備えている。このアノード水返送ラインＬ２３上には、アノード室３及び返送ラインＬ２３において、アノード電極３ａの近傍にアノード電解水を環流させるための循環ポンプＰ２３及び気液混合器（加圧手段）Ｊ２３が設けられている。
【００２７】
このような構成に基づき、アノード室３からラインＬ２３に流動するアノード電解水には、アノード電極３ａ近傍で発生した酸素及びオゾンが気泡の状態で含まれることになる。そして、このアノード電解水は、ラインＬ２３上で気液混合器Ｊ２３を通過する際に、酸素及びオゾンの気泡と一緒に加圧されながらラインＬ３に返送され、再びアノード室３に導入される。このとき、気泡の状態の酸素及びオゾンが、気液混合器Ｊ２３での加圧によって、アノード電解水に強制的に溶解される。そして、溶け残った酸素及びオゾンは、この返送ラインＬ２３を環流しながら繰り返しアノード電解水に接触し、上記の強制的な気体の溶解が繰り返し行われる。従って、アノード室３内においては、酸素及びオゾンが、アノード電解水に飽和状態又は過飽和状態で溶解することになる。そして、ラインＬ１３からは、酸素及びオゾンが飽和状態又は過飽和状態で溶解したアノード電解水が得られる。
【００２８】
一方、電解水製造装置１は、カソード側においても、カソード室５の下流側とラインＬ５とを連結するカソード水返送ラインＬ２５を備えている。また、このカソード水返送ラインＬ２５上には、カソード室５及び返送ラインＬ２５において、カソード電極５ａの近傍にカソード電解水を環流させるための循環ポンプＰ２５及び気液混合器（加圧手段）Ｊ２５が設けられている。
【００２９】
このような構成に基づき、カソード室５からラインＬ２５に流動するカソード電解水には、カソード電極５ａ近傍で発生した水素が気泡の状態で含まれることになる。そして、このカソード電解水は、ラインＬ２５上で気液混合器Ｊ２５を通過する際に、水素の気泡と一緒に加圧されながらラインＬ５に返送され、再びカソード室５に導入される。このとき、気泡の状態の水素が、気液混合器Ｊ２５での加圧によって、カソード電解水に強制的に溶解される。そして、溶け残った水素は、この返送ラインＬ２５を環流しながら繰り返しカソード電解水に接触し、上記の強制的な溶解が繰り返し行われる。従って、カソード室５内においては、水素が、カソード電解水に飽和状態又は過飽和状態で溶解することになる。そして、ラインＬ１５からは、水素が飽和状態又は過飽和状態で溶解したカソード電解水が得られる。
【００３０】
以上のように、この電解水製造装置１によれば、酸素及びオゾンが飽和状態又は過飽和状態で溶解し水素イオンＨ＋を含んだアノード電解水と、水素が飽和状態又は過飽和状態で溶解し水酸化イオンＯＨ−を含んだカソード電解水とが得られる。このように、電解水における気体の溶存量を高めることにより、酸化還元電位の絶対値を向上させ、電解水の洗浄力を向上させることができる。
【００３１】
また、このアノード電解水及びカソード電解水に溶存する気体は、洗浄水としての使用後には大気に放散されるので、洗浄対象物の清浄度を低下させることがない。このような性状を有する電解水は、洗浄水の不純物を嫌うエレクトロニクス分野（特に、半導体や液晶分野）における洗浄や、食品の洗浄等にも用いることができる。また、自動車塗装の前処理において使用する等、機械加工分野における有機溶媒の代替品とすることにより、環境負荷の低減を図ることができる。また、食品分野において、高濃度抽出水として利用することも可能である。このように、電解水製造装置１で得られる電解水は、幅広い用途に利用することができる。
【００３２】
このような電解水製造装置１において、中間室７に充填されたイオン交換樹脂１７は、前述したように、それ自体は化学的に変化しないが、継続的な使用による破損等で劣化し、通電媒体としての機能が低下する場合がある。従って、この装置１では、電気分解中において、このイオン交換樹脂１７を中間室７内で流動させて連続的に交換することで、常に正常なイオン交換樹脂１７の粒体が電気分解に関与するようにしている。
【００３３】
具体的には、この装置１の中間室７には、イオン交換樹脂１７を導入する導入口７ａと、イオン交換樹脂１７を排出する排出口７ｂとが設けられている。また装置１は、この排出口７ｂと導入口７ａとを連結する樹脂循環ライン２７を備えており、樹脂循環ライン２７上には、イオン交換樹脂１７の劣化した粒体を、粒径によって選別して除去する選別装置（除去手段）Ｑ２７が設けられている。更に、この樹脂循環ライン２７上には、バルブＶ２７が設けられている。そして、このバルブＶ２７、ラインＬ１３上に設けられたバルブＶ１３、及びラインＬ１５上に設けられたバルブＶ１５の３つのバルブの開度が調整されることにより、中間室７内の圧力が、アノード室３の圧力及びカソード室５内の圧力よりも低くなるように設定されている。
【００３４】
イオン交換樹脂１７は、粒体をなし、水に混合された状態で存在しているので、水と一緒に導入口７ａから排出口７ｂに向かって容易に流動する。なお、中間室７におけるイオン交換樹脂１７の流動方向は、アノード室３及びカソード室５における水の流動方向と向かい合う方向に設定されている。そして、排出口７ｂから排出されたイオン交換樹脂１７は、ポンプＰ２７により、水に混合された状態で樹脂循環ライン２７を流動し、再び導入口７ａに導入される。このとき、選別装置Ｑ２７を通過するイオン交換樹脂１７の各粒体は、この選別装置Ｑ２７によって粒径で選別され、劣化した粒体が取り除かれる。
【００３５】
選別装置Ｑ２７は、所定幅のスリットが形成された篩プレート（図示せず）と、イオン交換樹脂１７の粒体を貯留するバッファタンクとを有している（図示せず）。選別装置Ｑ２７は、篩プレート上でイオン交換樹脂１７の粒体を流下させることで、スリットによる粒体の篩い分けを行い、スリット幅よりも小径のものを劣化した粒体として樹脂循環ラインＬ２７から取り除く。取り除かれた粒体は、重力沈降等により、定期的に系外に排出される。一方、スリットよりも大径の粒体は、正常な粒体としてバッファタンクに貯留された後、再び樹脂循環ラインＬ２７に戻される。また、全体的にイオン交換樹脂１７が劣化した場合には、このバッファタンクごとイオン交換樹脂１７を交換することもできる。また、篩プレートを取り外すことで、イオン交換樹脂１７の粒体の全量を系外に排出することもできる。
【００３６】
このような構成に基づき、イオン交換樹脂１７の劣化した粒体は、選別装置Ｑ２７によって樹脂循環ライン２７から取り除かれるので、劣化した粒体が中間室７に導入されることが防止される。一方、イオン交換樹脂１７の正常な粒体は、樹脂循環ライン２７と中間室７とを循環し、繰り返し有効利用される。このような、イオン交換樹脂２７の循環により、中間室７内のイオン交換樹脂１７が連続的に交換され、常に正常なイオン交換樹脂１７の粒体が電気分解に関与するので、効率のよい電気分解を行うことができる。また、イオン交換樹脂１７のメンテナンスのために運転を停止する必要がないので、処理効率の向上を図ることができる。
【００３７】
また、中間室７内の圧力は、アノード室３及びカソード室５よりも低く設定されていることから、アノード室３からのＨ＋を含む水の一部や、カソード室５からのＯＨ−を含む水の一部が、隔壁１３，１５の細孔を通過して中間室７に流入することになる。そして、流入したこのような水は、イオン交換樹脂１７と一緒に排出口７ｂから流れ去るので、Ｈ＋がカソード室５にまで流入したり、逆にＯＨ−がアノード室３にまで流入したりすることを抑制することができる。
【００３８】
また、中間室７におけるイオン交換樹脂１７の流動方向は、アノード室３及びカソード室５における水の流動方向と同じ方向に設定されてもよいが、ここでは、イオン交換樹脂１７の流動方向が、アノード室３及びカソード室５における水の流動方向と向かい合う方向に設定されている。従って、最もイオン交換樹脂１７の劣化が少ない中間室７の上流側が、アノード室３及びカソード室５における下流側に対応することになる。よって、最終製品により近いアノード室３及びカソード室５の下流側がより効率よく電気分解され、最終製品の性状の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る電気分解装置の第１の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…電解水製造装置（電気分解装置）、２…電解槽（電解水生成部）、３…アノード室、３ａ…アノード電極、５…カソード室、５ａ…カソード電極、７…中間室、７ａ…導入口（媒体交換手段）、７ｂ…排出口（媒体交換手段）、１７…イオン交換樹脂（通電媒体）、２７…樹脂循環ライン（媒体交換手段）、Ｑ２７…選別装置（除去手段）。
【図１】
2007204833.tif 000003